煤粒瓦斯解吸时变规律实验研究

姚壮壮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037)

0 引言

研究瓦斯解吸时变规律，可为瓦斯含量的准确测定及结果修正提供理论依据，对瓦斯灾害预防具有重要意义。美国、澳大利亚、英国等国家及我国的一些科研院所对瓦斯解吸时变规律开展了大量的实验及相关理论研究。根据解吸量和时间的关系，瓦斯解吸模型主要分为幂函数式和指数式两大类[1-3]。其中幂函数式包括巴雷尔式、文特式、乌斯基诺夫式、王佑安式等[4]。这两大类瓦斯解吸模型通过累计瓦斯解吸量、解吸速度和使用条件来描述瓦斯解吸过程。另外有学者基于煤的扩散性、渗透性、粒度大小及孔隙度等的不同，通过实验得到不同的累计瓦斯解吸量和解吸速度方程[5-7]。除了指数式和幂函数式之外，还有双曲线式、对数式及上述模型的变形式[8-11]。

目前国内外研究的瓦斯解吸模型众多，但问题是采样范围小，且模型计算结果与实测数据之间存在误差，必须进行适当修正。本文在上述研究的基础上，针对提高煤粒瓦斯解吸规律准确性这一着力点，探索更加具有普遍适用性的瓦斯解吸规律。通过在神华乌海能源公司五虎山矿、平沟矿、老石旦矿采样，扩大了煤样采集范围；基于搭建的煤粒瓦斯解吸实验平台，采用控制变量法，研究煤粒在不同吸附平衡压力、不同温度、不同粒度下的瓦斯解吸时变规律。瓦斯含量的准确测定是预防瓦斯安全事故的关键，通过不同地质条件下的煤样进行解吸实验研究，提高了瓦斯解吸模型的适用性，进一步验证了温度、粒度等主控因素对瓦斯解吸规律的影响。

1 瓦斯解吸实验

1.1 实验平台

瓦斯解吸实验平台包括真空脱气系统、温控系统、充气系统、解吸控制系统，如图1所示。真空脱气系统由真空罐路系统、真空计、真空隔膜阀、真空机组等组成。温控系统由恒温水浴和相关控制系统组成，恒温水浴由隔热棉、不锈钢板等材料加工而成。充气系统由高压瓦斯瓶(甲烷体积分数为99.99%)、减压阀、耐高压阀门等组成。解吸控制系统包括瓦斯气囊、水准瓶、三通等。

图1 瓦斯解吸实验平台

Fig.1 Gas desorption experiment platform

待瓦斯吸附平衡后，打开罐体阀门进行卸压，卸压时间为10 s，测定不同时间的解吸量。根据罐体内的“死空间”与吸附平衡压力计算解吸量，并绘制整个解吸过程中的瓦斯解吸量变化曲线。

1.2 煤样采集

对五虎山矿、平沟矿、老石旦矿的煤样进行工业分析，测定孔隙率、真密度、视密度等基本参数，结果见表1。

2 瓦斯解吸时变规律

2.1 吸附平衡压力对瓦斯解吸规律的影响

将各煤样粒度统一为1～3 mm，设温度为(40±1)℃(等温)，吸附平衡压力分别为0.5，1.0，1.5 MPa，通过实验得出不同吸附平衡压力下各煤样瓦斯解吸量变化曲线，如图2所示。

表1 实验煤样工业分析Table 1 Industrial analysis of experimental coal samples

由图2可知，在相同吸附平衡压力下不同煤矿所取煤样解吸量不同。以五虎山矿煤样为例，在吸附平衡压力分别为0.5，1.0，1.5 MPa下，30 min时瓦斯解吸量分别为7.52，14.85，22.14 cm3/g。可见，吸附平衡压力越大，瓦斯解吸量越大。

(a) 五虎山矿煤样

(b) 平沟矿煤样

(c) 老石旦矿煤样

2.2 粒度对瓦斯解吸规律的影响

极限粒度是煤中所固有的粒度，在极限粒度内瓦斯解吸量、解吸速度随着粒度的增加而逐渐减小[12-15]。通过扩大采样范围，研究在相同实验条件下粒度对瓦斯解吸规律的影响，得到极限粒度的数值范围，对瓦斯含量测定实验中煤粒大小的选择及结果修正具有重要意义。采用五虎山矿、平沟矿、老石旦矿的煤样进行实验，设粒度分别为0.5～1，1～3，3～5，5～10 mm，利用控制变量法，即保持温度相同(40 ℃)、吸附平衡压力相同(1 MPa)，得出瓦斯解吸量变化曲线，如图3所示。

(a) 五虎山矿煤样

(b) 平沟矿矿煤样

(c) 老石旦矿煤样

分析图3可得出以下结论：

(1) 煤粒粒度越大，瓦斯解吸量越小，但是当粒度达到5 mm左右时，如粒度为3～5 mm与粒度为5～10 mm时的瓦斯解吸量差别并不大，甚至趋于相等。即存在一个阈值粒度，当煤样粒度超过阈值粒度后，粒度对瓦斯解吸量的影响很小。

(2) 解吸初期，在一定范围内，粒度越大，解吸速度越小，但是当粒度增大到极限粒度后，粒度对解吸速度的影响很小。

煤粒粒度小于极限粒度时，瓦斯解吸量和解吸速度随着粒度的减小而增大，这是因为粒度越小，煤粒孔隙表面积和暴露的总面积越大，使得参与解吸的甲烷分子越多，解吸速度越大，相同时间内的瓦斯解吸量越大。极限粒度是煤体自身的结构特征，煤粒粒度大于极限粒度之后，较大的煤粒就会被原生裂隙和次生裂隙分割成若干极限粒度大小的小煤粒，这些小煤粒的瓦斯扩散阻力是一定的，远小于裂隙和大孔的阻力。因此，随着煤粒粒度增大，瓦斯解吸速度和解吸量不会一直减小。

2.3 温度对瓦斯解吸规律的影响

以五虎山矿、平沟矿煤样(粒度为1～3 mm，吸附平衡压力为1 MPa)为例，设温度分别为20,30,40 ℃进行实验。根据实验数据绘制瓦斯解吸量变化曲线，如图4所示。

(a) 五虎山矿煤样

(b) 平沟矿煤样

由图4可看出，在相同吸附平衡压力、相同粒度、不同温度条件下，瓦斯解吸量随时间单调递增，温度越高，解吸量越大。出现这种现象的内在原因：由于煤粒暴露面瓦斯解吸、膨胀、扩散，内能得到释放，温度越高，瓦斯内能越大，甲烷分子动能也越大，运动越剧烈，从而越容易摆脱煤粒表面及孔隙表面吸附。温度升高会使孔隙扩张，表面积增大，从而提高瓦斯解吸能力。

2.4 瓦斯解吸过程分析

分析图2—图4可知，随着时间的变化，解吸曲线斜率逐渐变小，说明瓦斯解吸速度逐渐减小。将瓦斯解吸过程分为3个阶段，即解吸初期、解吸中期、解吸后期。0～5 min为解吸初期，瓦斯解吸速度较快；5～25 min为解吸中期，瓦斯解吸速度逐渐放缓；25 min后为解吸后期，瓦斯解吸速度趋于零，即解吸完毕。

针对瓦斯解吸过程的3个阶段，分析解吸量时变特性和解吸速度变化原因。解吸初期：在煤样暴露初期，煤粒间存在大量孔隙，孔隙之间形成通道，吸附在煤粒表面的瓦斯首先摆脱煤粒，瞬间解吸释放，遇到的阻力较小，所以初期解吸速度较快。解吸中期：当大孔隙附近暴露面积较大的煤粒瓦斯趋于殆尽时，解吸速度随之变小，小孔隙内的瓦斯需要克服更大阻力才能进入大孔隙汇入通道，使得解吸中期解吸速度逐渐减小，解吸量增加缓慢。解吸后期：煤样内瓦斯解吸趋于完毕，解吸速度趋于零，解吸量基本维持在定值。

3 结论

搭建了瓦斯解吸实验平台，采集五虎山矿、平沟矿、老石旦矿的煤样进行解吸实验，分析瓦斯解吸时变规律，得出以下结论：

(1) 分析了吸附平衡压力、煤样粒度、温度对瓦斯解吸时变规律的影响：吸附平衡压力越大，瓦斯解吸量越大；粒度越大，解吸量和解吸速度越小，到达阈值粒度后，粒度对解吸量和解吸速度的影响较小；温度越高，解吸量越大。

(2) 得出解吸量随时间变化规律：随着时间的增加，解吸量逐渐增加，瓦斯解吸速度逐渐减小。根据解吸速度变化将解吸过程分为解吸初期、解吸中期、解吸后期3个阶段，分析了各阶段解吸量时变特性和解吸速度变化原因。